第15章机械加工表面质量

机械制造技术第15章机械加工表面质量@高等教育出版社ContentsPage目录页04机械加工振动简介01概述02加工表面几何特征的形成及影响因素03加工表面物理力学性能的变化及影响因素TransitionPage过渡页04机械加工振动简介01概述02加工表面几何特征的形成及影响因素03加工表面物理力学性能的变化及影响因素一、表面质量的含义1．加工表面的几何特征加工表面的微观几何形状主要包括表面粗糙度和表面波度。表面粗糙度是指波距L

小于1mm的表面微小波纹；表面波度是波距L

在1～20mm之间的表面波纹。通常情况下，当L/H（波距/波高）＜50时，为表面粗糙度，L/H

＝50～1000时为表面波度。15.1概述（1）表面粗糙度表面粗糙度主要是由刀具的形状以及切削过程中塑性变形和振动等因素引起的。我国现行的表面粗糙度标准是GB/T1031—1994。在确定表面粗糙度时，可在Ra、Ry、Rz中选取，并推荐优先选用Ra。（2）表面波度主要是由加工过程中工艺系统的低频振动引起的周期性形状误差，介于形状误差（L1/H1

＞1000）与表面粗糙度（L3/H3

＜50）之间。一般以波高作为波度的特征参数，用测量长度上五个最大的波幅的算术平均值W表示：W＝（W1

＋W2

＋W3

＋W4

＋W5）/52.表面层的物理力学性能（1）表面层加工硬化

表面层的加工硬化一般用硬化层的深度和硬化程度N来评定：N

＝［（H－H0）/H0］×100％式中：H———加工后表面层的显微硬度；H0———原材料的显微硬度。（2）表面层残余应力

在加工过程中，由于塑性变形、金相组织的变化和温度造成的体积变化的影响，表面层会产生残余应力。目前对残余应力的判断大多是定性的，必要时可以采用专门的设备定量检测。（3）表面层金相组织的变化

在加工过程热的作用下，表面层会产生温度升高，当温度超过材料的相变临界点时，就会产生组织的变化。这种变化包括晶粒大小、形状、析出物和再结晶等。15.1概述二、表面质量对零件使用性能的影响1.对零件耐磨性的影响零件的耐磨性主要与摩擦副的材料热处理、润滑条件和表面质量有关，在相同的情况下，零件的表面质量对零件的耐磨性能起决定性作用。零件表面的磨损过程一般可分为初期磨损、正常磨损和急剧磨损三个阶段。15.1概述2.对零件疲劳强度的影响在交变载荷的作用下，零件表面微观的高低不平和其他表面缺陷，如裂纹，划痕等一样会引起应力集中，当应力超过材料的疲劳极限时，就会产生和扩展疲劳裂纹，造成疲劳破坏。不同材料对应力集中的敏感程度不同，材料越致密，晶粒越细，则对应力集中越敏感，对疲劳强度的影响也就越严重。表面层一定程度的加工硬化能阻止已有裂纹的产生和裂纹的扩展，表面层的残余压应力能够部分地抵消工作载荷所引起的拉应力，延缓疲劳裂纹的产生和扩展，从而提高零件的疲劳强度。15.1概述3.对抗腐蚀性的影响零件的耐腐蚀性主要取决于表面粗糙度，表面粗糙度值越大，腐蚀性介质越易积聚在粗糙表面的低谷处而发生化学腐蚀；或在波峰处产生电化学作用而引起电化学腐蚀。因此，降低零件的表面粗糙度值，能提高零件的耐腐蚀性。零件在应力状态下工作时，会产生应力腐蚀。零件表面有残余应力时，一般都会降低零件的耐腐蚀性。4．对配合精度的影响对于间隙配合的表面，其表面粗糙度值越大，相对运动时的磨损越大，这就使配合间隙迅速增大，影响间隙配合的精度及稳定性。对于过盈配合的表面，配合表面的部分凸峰会被挤平，这将影响实际过盈量的大小和配合的可靠性。15.1概述三、表面完整性（1）表面形貌主要是用来描述加工后零件表面的几何特征，它包括表面粗糙度、表面波度和纹理等。（2）表面缺陷是指加工表面上出现的宏观裂纹、伤痕和腐蚀现象等，对零件的使用有很大影响。（3）微观组织和表面层的冶金化学性能主要包括微观裂纹、微观组织变化及晶间腐蚀等。（4）表面层物理力学性能主要包括表面层硬化深度和程度、表面层残余应力的大小、分布。（5）表面层的其他工程技术特性主要包括摩擦特性、光的反射率、导电性和导磁性等。15.1概述TransitionPage过渡页04机械加工振动简介01概述02加工表面几何特征的形成及影响因素03加工表面物理力学性能的变化及影响因素一、几何因素从几何的角度考虑，刀具的形状和几何角度，特别是刀尖圆弧半径r、主偏角κr、副偏角κ′r和切削用量中的进给量f

等对表面粗糙度有较大的影响。由图中几何关系可推出：H

＝Rmax

＝

f/（cotκr

＋cotκ′r）当用圆弧刀刃切削时，刀尖圆弧半径r和进给量f对残留面积高度的影响，如图b所示，推导可得：H

＝Rmax≈f

2/8rε15.2加工表面几何特征的形成及影响因素二、物理因素从切削过程的物理实质考虑，刀具的刃口圆角和后刀面的挤压与摩擦使金属材料发生塑性变形，严重恶化了表面粗糙度。在加工塑性材料而形成带状切屑时，在前刀面上容易形成硬度很高的积屑瘤。它可以代替前刀面和切削刃进行切削，使刀具的几何角度、背吃刀量发生变化。其轮廓很不规则，因而使工件表面上出现深浅和宽窄都不断变化的刀痕，有些刀瘤嵌入工件表面，更增加了表面粗糙度值。切削加工时的振动，使工件表面粗糙度值增大。三、工艺因素1．切削加工（1）刀具的几何形状、材料及刃磨质量对表面粗糙度的影响从几何因素看，减少刀具的主、副偏角，增大刀尖圆弧半径，均能有效地降低表面粗糙度值。刀具的前角值适当增大，刀具易于切入工件，塑性变形小，有利于减小表面粗糙度值。但前角太大，刀刃有嵌入工件的倾向，反而使表面变粗糙。当前角一定时，后角越大，切削刃钝圆半径越小，刀刃越锋利；同时，还能减小后刀面与加工表面间的摩擦和挤压，有利于减小表面粗糙度值。但后角太大削弱了刀具的强度，容易产生切削振动，使表面粗糙度值增大。15.2加工表面几何特征的形成及影响因素（2）工件材料性能对表面粗糙度的影响与工件材料相关的因素包括材料的塑性、韧性及金相组织等，一般地讲，韧性较大的塑性材料，易于产生塑性变形，与刀具的粘结作用也较大，加工后表面粗糙度值大；相反，脆性材料则易于得到较小的表面粗糙度值。（3）加工条件对表面粗糙度的影响①切削速度vc

一般情况下，低速或高速切削时，因为不会产生积屑瘤，故表面粗糙度值较小，但在中等速度下，塑性材料由于容易产生积屑瘤和鳞刺，因此，表面粗糙度值大。②背吃刀量ap

它对表面粗糙度的影响不明显，一般可忽略，但当ap

＜0.02～0.03mm时，刀尖与工件表面发生挤压与摩擦，从而使表面质量恶化。15.2加工表面几何特征的形成及影响因素③进给量f

减小进给量f

可以减少切削残留面积高度Rmax，减小表面粗糙度值，但进给量太小，刀刃不能切削而形成挤压，增大了工件的塑性变形，反而使表面粗糙度值增大。另外，合理选择润滑液，提高冷却润滑效果，减小切削过程中的摩擦，能抑制刀瘤和鳞刺的生成，有利于减小表面粗糙度值。选用含有硫、氯等表面活性物质的冷却润滑液，润滑性能增强，作用更加显著。15.2加工表面几何特征的形成及影响因素2．磨削加工在磨削过程中，磨粒在工件表面上滑擦、耕犁和切下切屑，把加工表面刻划出无数微细的沟槽，沟槽两边伴随着塑性隆起，形成表面粗糙度。（1）磨削用量对表面粗糙度的影响提高砂轮速度可以增加在工件单位面积上的刻痕，同时，塑性变形造成的隆起量随着砂轮速度的增大而下降，所以表面粗糙度值减小。在其他条件不变的情况下，提高工件速度，磨粒单位时间内在工件表面上的刻痕数减少，因而将增大磨削表面粗糙度值。磨削深度增加，磨削过程中磨削力及磨削温度都增加，磨削表面塑性变形增大，从而增大表面粗糙度值。15.2加工表面几何特征的形成及影响因素（2）砂轮对表面粗糙度的影响①砂轮的粒度砂轮越细，单位面积上的磨粒数越多，工件表面上的刻痕密而细，则表面粗糙度值越小。但磨粒过细时，砂轮易堵塞，磨削性能下降，反而使表面粗糙度值增大。②砂轮的硬度硬度应大小合适。砂轮太硬，磨粒钝化后仍不能脱落，使工件表面受到强烈摩擦和挤压作用，塑性变形程度增加，表面粗糙度值增大或使磨削表面烧伤；砂轮太软，磨粒易脱落，常会产生磨损不均匀现象，而使表面粗糙度值增大。③砂轮的修整砂轮修整的目的是为了去除砂轮外层已钝化的或被磨屑堵塞的磨粒，保证砂轮具有足够的等高微刃。微刃等高性越好，磨出工件的表面粗糙度值越小。（3）工件材料对表面粗糙度的影响工件材料硬度太大，砂轮易磨钝，故表面粗糙度值变大。工件材料太软，砂轮易堵塞，磨削热增大，也得不到较小的表面粗糙度值。塑性、韧性大的工件材料，其塑性变形程度大，导热性差，不易得到较小的表面粗糙度值。15.2加工表面几何特征的形成及影响因素TransitionPage过渡页04机械加工振动简介01概述02加工表面几何特征的形成及影响因素03加工表面物理力学性能的变化及影响因素一、表面层的加工硬化在机械加工过程中，工件表层金属受到切削力的作用产生强烈的塑性变形使晶体间产生剪切滑移，晶粒严重扭曲，并产生晶粒的拉长、破碎和纤维化，这时工件表面的强度和硬度提高，塑性降低，这种现象称为加工硬化，又称冷作硬化。影响表面层加工硬化的因素从以下几个方面考虑：（1）切削力切削力越大，塑性变形越大，则硬化程度和硬化层深度就越大。例如，当进给量f、背吃刀量ap

增大或刀具前角γo减小时，都会增大切削力，使加工硬化严重。（2）切削温度切削温度增高时，回复作用增加，使得加工硬化程度减小。如切削速度很高或刀具钝化后切削，都会使切削温度不断上升，部分地消除加工硬化，使得硬化程度减小。（3）工件材料被加工工件的硬度越低，塑性越大，切削后的冷硬现象越严重。15.3加工表面物理力学性能的变化及影响因素二、表面层的金相组织变化与磨削烧伤1．表面层金相组织变化与磨削烧伤的原因对于磨削加工来说，由于单位面积上产生的切削热比一般切削方法大几十倍，易使工件表面层的金相组织发生变化，引起表面层的硬度和强度下降，产生残余应力甚至引起显微裂纹，这种现象称为磨削烧伤。（1）回火烧伤磨削淬火钢时，若磨削区温度未超过相变温度，但超过马氏体的转变温度，这时马氏体转变为硬度较低的回火屈氏体或索氏体，此现象称为回火烧伤。（2）淬火烧伤磨削淬火钢时，若磨削区的温度超过相变临界温度时，在切削液的急冷作用下，工件最外薄层金属转变为二次淬火马氏体组织。其硬度比原来的回火马氏体高，但是又脆又硬。在这层金属下面的一层金属，温度较低，冷却也较慢，会变为过回火组织，这种现象被称为淬火烧伤。（3）退火烧伤干磨时，当磨削区温度超过相变临界温度，表层金属以空冷方式冷却，冷却速度比较缓慢而形成退火组织。其强度和硬度大幅度下降，这种现象被称为退火烧伤。15.3加工表面物理力学性能的变化及影响因素2．影响磨削烧伤的因素（1）磨削用量当磨削深度ap

增大时，工件表面及表面下不同深度的温度都将提高，容易造成烧伤；增大砂轮速度vc

会加重磨削烧伤的程度。当工件纵向进给量fa

增大时，磨削区温度增高，但热源作用时间减少，因而可减轻烧伤，但提高工件速度会导致其表面粗糙度值变大。提高砂轮速度可弥补此不足。实践证明，同时提高工件速度和砂轮速度可减轻工件表面烧伤。（2）砂轮材料对于硬度太高的砂轮，钝化砂粒不易脱落，砂轮容易被切屑堵塞。因此，一般用软砂轮好。砂轮结合剂最好采用具有一定弹性的材料，保证磨粒受到过大切削力时会自动退让，如树脂、橡胶等。一般来讲，粗粒度砂轮不容易引起磨削烧伤。（3）冷却方式采用切削液带走磨削区热量可避免烧伤。但由于旋转的砂轮表面上产生强大的气流层，切削液不易附着，以致没有多少切削液能进入磨削区。所以普通的冷却方式效果不理想。15.3加工表面物理力学性能的变化及影响因素三、表面残余应力1．冷塑变形引起的残余应力在机械加工过程中，因切削力的作用使工件表面受到强烈的塑性变形，尤其是切削刀具对已加工表面的挤压和摩擦，使表面产生伸长型塑性变形，表面积趋向增大，但受到里层的限制，产生了残余压应力，与里层产生的残余拉伸应力相平衡。2．热塑变形引起的残余应力切削加工过程中，表面受到切削热的作用使表层局部温度高于里层，因此表面层金属产生的热膨胀变形也大于里层。当切削过程结束时，表层温度下降较快，故收缩变形大于里层，由于受到里层金属的限制，工件表面将产生残余拉应力。切削温度愈高，则残余拉应力愈大，甚至会出现裂纹。15.3加工表面物理力学性能的变化及影响因素3．金相组织变化引起的残余应力切削时产生的高温会引起表面层金相组织的变化。由于不同的金相组织有不同的密度，如马氏体密度ρM

＝7.75g/cm3，奥氏体密度ρA

＝7.96g/cm3，珠光体密度ρP

＝7.78g/cm3，铁素体密度ρF

＝7.88g/cm3，表面层金相组织变化的结果造成了体积的变化，表面层体积膨胀时，因为受到基体的限制，产生了压应力；反之，则产生拉应力。以磨削淬火钢为例，淬火钢原来的组织是马氏体，磨削加工后，表面可能产生回火，马氏体变为珠光体型转变的托氏体或索氏体，密度增大而体积减小，表层产生残余拉应力。如果表层产生二次淬火层（淬火烧伤），即原表层的残余奥氏体转变为马氏体，密度减小而体积增大，工件表层就产生残余压应力。15.3加工表面物理力学性能的变化及影响因素TransitionPage过渡页04机械加工振动简介01概述02加工表面几何特征的形成及影响因素03加工表面物理力学性能的变化及影响因素一、受迫振动1．受迫振动及其特性受迫振动是一种由工艺系统内部或外部周期交变的激振力作用下引起的振动。理论研究表明，受迫振动的特性是：（1）由周期性激振力引起的，不会被阻尼衰减掉，振动本身也不能使激振力变化。（2）振动频率与外界激振力的频率相同，与系统的固有频率无关。（3）幅值既与激振力的幅值有关，又与工艺系统的动态特性有关。15.4机械加工振动简介2．受迫振动产生的原因（1）系统外部的周期性干扰力如机床附近的振动源经过地基传给正在加工的机床，从而引起工艺系统的振动。（2）机床高速旋转件的不平衡例如联轴器、带轮、卡盘等由于形状不对称、材质不均匀或其他原因造成质量偏心产生的离心力引起受迫振动。（3）机床传动机构的缺陷如制造不精确或安装不良的齿轮会产生周期性干扰力，有可能成为机械加工受迫振动的根源。（4）往复运动的部件引起的惯性力具有往复运动部件的机床，当它们换向时的惯性力及液压系统中液压件的冲击现象都会引起振动。（5）切削过程中的冲击在铣削、刨削、拉削过程中，刀齿在切入工件和切出工件时，或加工断续表面等出现的断续切削现象所引起的冲击力，也会引起振动。15.4机械加工振动简介二、自激振动由激振系统本身引起的交变力作用而产生的振动，称为自激振动，通常又称为颤振。其振动频率与系统的固有频率相近。在交变切削力的作用下，刀具相对于工件的位置会发生变化，产生振动位移，这一振动反过来又影响实际的切削厚度，从而影响力的变化。在一定条件下，刀具在振入（切入）工件时所消耗的能量就会小于或等于在振出（切出）时获得的能量。刀具有了重新振入（切入）工件的能量，振动就会继续进行下去，加工中就产生了振动。这种振动产生时，工艺系统维持振动所需的能量是从切削过程中获得的，故称之为自激振动。15.4机械加工振动简介三、消除和减小振动的途径1．受迫振动的减小减小受迫振动的途径主要有消除工艺系统中回转零件的不平衡，提高传动件的制造精度和装配质量，改进传动机构与隔振，合理安排固有频率和避开共振区，提高工艺系统的刚性及增加阻尼等。在机床主轴系统中附加阻尼减振器，它相当于间隙很大的滑动轴承，通过阻尼套和阻尼间隙中的黏性油的阻尼作用来减振。15.4机械加工振动简介2．自激振动的消减（1）合理选择切削用量如采用高速或低速切削可以避免自激振动，增大进给量可使振幅减小，在加工表面粗糙度允许的情况下，可以选择较大的进给量以避免自激振动。背吃刀量增大，振动增强。（2）合理选择刀具几何参数适当地增大前角、主偏角能减小垂直于加工表面的法向分力Fx，从而减小振动。后角尽可能取小，但在精加工中，如果后角过小，刀刃